Для начала, немного исторической базы, в частности, что такое Ультрафиолетовая катастрофа?
Ультрафиолетовую катастрофу легко понять, если представить себе нагревание чего-то в печи. Давным-давно ученые поняли, что когда нагревают печь, она излучает свет. Чем горячее печь, тем свет становится белее и ярче. Теперь, они придумали математические формулы, чтобы описать, как свет и тепло испускается от нагретой печи – это называется "законом распределения энергии".
Однако вот проблема: их формулы работали хорошо только для низких температур. Когда они применяли свои уравнения к очень высоким температурам, они предсказывали, что энергия света в определённых ультрафиолетовых волнах будет бесконечно большой. Это как сказать, что печь может испускать бесконечное количество света, что невозможно. Это и есть "ультрафиолетовая катастрофа" – полное несоответствие между тем, что предсказывали уравнения, и реальностью.
Тогда на сцену вышел физик по имени Макс Планк. Он придумал новую идею, что энергия света испускается маленькими порциями, которые он назвал "квантами". Эта идея не только решила проблему ультрафиолетовой катастрофы, но и заложила основу для целой новой области физики, которую мы теперь знаем как квантовая механика.
Теперь о "абсолютно чёрном теле". Это гипотетический объект, который поглощает весь свет и другие виды энергии, который на него падают. Он не отражает и не пропускает через себя ничего – просто поглощает. И когда абсолютно чёрное тело нагревают, оно испускает свет определённым способом, который зависит только от его температуры. Исследование света, испускаемого абсолютно чёрными телами, привело к открытию квантовой механики. Ученые могли точно предсказать свет абсолютно чёрного тела на всех волнах, что было большим достижением в физике.
Физик Макс Планк решил проблему ультрафиолетовой катастрофы, предложив совершенно новую идею о том, как природа излучает энергию. Вместо того, чтобы думать об энергии как о чём-то, что может изменяться плавно и непрерывно, Планк предположил, что энергия излучается только дискретными порциями, которые он назвал "квантами". Согласно его теории, энергия света (или излучения) может быть передана или поглощена только целыми кратными очень маленькой величины, которую сегодня мы называем "квантом".
Чтобы успокоить ультрафиолетовую катастрофу, Планк ввел константу (теперь известную как постоянная Планка), которая стала ключевым элементом его новой формулы для описания излучения абсолютно чёрного тела. Его уравнение успешно согласовывалось с экспериментальными данными на всех длинах волн, в том числе и в ультрафиолетовом диапазоне, где предыдущие теории терпели неудачу.
Таким образом, постулат Планка о квантовании энергии не только объяснил ультрафиолетовую катастрофу, но и положил начало развитию квантовой физики, радикально изменивший наше понимание физического мира.
Давайте раскроем еще подробнее, как Макс Планк решил проблему ультрафиолетовой катастрофы. В конце 19 века, классическая физика имела большой кризис, связанный с излучением абсолютно чёрного тела. Так называемое "лучистое тепло" или тепловое излучение было светом и энергией, которое тело испускало.
Согласно классическим теориям, таким как закон Рэлея-Джинса, интенсивность излучения абсолютно чёрного тела на высоких частотах (к ультрафиолетовому диапазону) должна была неограниченно возрастать. Это предсказание называлось "ультрафиолетовой катастрофой", потому что оно не согласовывалось с наблюдаемыми экспериментальными данными и предполагало, что любое чёрное тело при комнатной температуре должно было светиться ярко в ультрафиолетовом свете, что очевидно не происходит.
Макс Планк заметил, что энергетическое распределение излучения абсолютно чёрного тела в реальности имеет максимум при определённой частоте и затем падает на высоких частотах, что противоречило классическим предсказаниям. Для объяснения эмпирически наблюдаемых результатов он предположил, что энергия не испускается непрерывно, а только определёнными порциями (квантами). Так, энергия E каждого кванта связана с частотой ν соответствующей световой волны.
Планк вынужден был ввести идею квантов как математический трюк, чтобы её уравнения согласовывались с экспериментами, и он не полностью верил в том, что это реальное физическое свойство. Однако, эта идея была радикально новой и привела к разработке квантовой физики в последующие годы. На самом деле, это было началом конца классического понимания физики и началом новой эры, в которой дискретные кванты энергии стали фундаментальным понятием, лежащим в основе всех атомных и субатомных процессов.
